一种船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法

本发明属于结构动力学，尤其涉及一种船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法。

背景技术：

1、船舶动力设备运行时产生的强烈振动一直是影响船舶性能和安全性的关键问题。振动不仅会对船上设备的正常运行造成干扰，还可能对船体结构产生损伤，进而影响整个船舶的可靠性和使用寿命。为了解决这一问题，浮筏隔振系统因其紧凑的结构和优异的隔振效果被广泛应用于船舶动力设备的减振降噪。

2、为了深入分析和优化浮筏隔振系统的隔振性能，学者们通常会建立了其动力学解析模型。在现有的技术中，一个常见的简化是将浮筏或船体视为刚体，忽略了它们在振动过程中的弹性变形。然而，随着船舶正朝着大型化和轻型化的方向发展，传统的简化模型可能已无法准确描述船舶浮筏隔振系统的动力学特性。

3、为了弥补这一不足，近年来学者们通常采用数值方法来研究船舶浮筏隔振系统的动力学行为。然而船体结构庞大，采用数值模拟时，会存在计算量大，计算效率低的问题，因此，开发一种能够精确描述船舶浮筏隔振系统动力学行为的解析建模方法显得尤为重要。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，包括以下步骤：

3、将船舶浮筏隔振系统划分为若干子结构，再将子结构解耦为若干子单元；

4、基于子单元结构控制微分方程，建立每个子单元的动力学刚度矩阵；

5、将各个子单元的动力学刚度矩阵转换到统一全局坐标系下并进行组装，获得船体结构和浮筏的全局刚度矩阵；

6、基于船体结构和浮筏连接处的连续性条件，建立船舶浮筏隔振系统的整体动力学方程；

7、施加边界条件和外部激励对所述整体动力学方程进行求解，获得系统的动力学特性。

8、可选地，划分的子结构包括船体结构、浮筏和隔振器；其中，船体结构解耦的子单元包括若干个开口圆柱壳和矩形板，浮筏解耦的子单元包括若干个矩形板，而隔振器则采用弹簧进行模拟。

9、可选地，建立子单元动力学刚度矩阵的过程包括：

10、在小变形假设下，基于kirchhoff薄板理论将矩形板的控制微分方程解耦为横向振动和面内振动；采用广义叠加法分别获得一般边界条件下矩形板两种振动的位移解析解；根据位移和载荷关系分别获得矩形板两种振动的载荷解析解；将边界值代人矩形板位移和载荷的解析表达式并采用映射法分别求解矩形板横向和面内振动的动力学刚度矩；将所述横向和面内振动动力学刚度矩阵组装获得矩形板完整的动力学刚度矩阵；

11、基于flügge薄壳理论，采用广义叠加方法获得一般边界条件下开口圆柱壳的位移解析解；根据位移和载荷关系获得开口圆柱壳的载荷解析解；将边界值代入开口圆柱壳位移和载荷的解析表达式并采用映射法建立开口圆柱壳动力学刚度矩阵；

12、根据弹簧与板连接点的位移连续性条件，采用与板连接点相同位移形式的狄拉克函数，建立弹簧的动力学刚度矩阵。

13、可选地，矩形板的动力学刚度矩阵表示如下：

14、

15、其中，上标out和in分别代表矩形板的横向和面内振动，和(i,j＝1,2,3,4)维度分别为2m+2和2m+1；

16、开口圆柱壳的动力学刚度矩阵表示如下：

17、

18、其中，sij(i,j＝1,2,3,4)维度为4m+3；

19、弹簧的动力学刚度矩阵表示如下：

20、

21、其中右上标x/y/z代表不同方向，ks维度为4m+3。

22、可选地，将各个子单元的动力学刚度矩阵进行组装之前还包括：选取建立在开口圆柱壳圆心的笛卡尔坐标系作为整体结构的全局坐标系，引入坐标变换矩阵将局部坐标下各个子单元的动力学刚度矩阵分别转化到全局坐标系下。

23、可选地，将各个子单元的动力学刚度矩阵进行组装的过程包括：按逆时针顺序对子结构边界线编号，初始化全局刚度矩阵，基于编号将各个子单元的动力学刚度矩阵映射到全局刚度矩阵中相应的位置，进行相加操作。

24、可选地，船舶浮筏隔振系统的整体动力学方程如下式所示：

25、

26、其中，k船为船体结构全局刚度矩阵，k筏为浮筏全局刚度矩阵，为隔振器刚度矩阵，1～n代表隔振器数量。

27、可选地，对所述整体动力学方程进行求解的过程包括：将全局刚度矩阵中约束位移对应的行和列去除，获得施加的边界条件，对所述整体动力学方程施加边界条件和外部激励进行求解，获得船舶浮筏隔振系统的固有频率和位移响应。

28、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

29、本发明的方法不仅考虑了船体结构和浮筏在振动过程中的弹性变形，还引入了精确的动力学刚度矩阵，这使得本发明能够精确、快速地预测和分析船舶浮筏隔振系统的动力学行为。

30、矩形板和开口圆柱壳的动力学刚度矩阵，都是从它们控制微分方程严格推导得出的，且子单元刚度矩阵具有可重复利用性，即一旦得到子单元的动力学刚度矩阵，各种组合形式的船体结构和浮筏的全局刚度矩阵就可以直接像有限元方法一样进行简单组装，无需进行重复理论推导。

31、对于由不同数量和分布位置隔振器构成的浮筏隔振系统，本发明的方法也可以在不改变船体结构和浮筏的动力学方程情况下进行灵活处理。

32、本发明对于边界条件的处理也十分方便，只需从全局刚度矩阵中移除与约束位移相对应的行和列，就可以得到所需边界条件下的动力学刚度矩阵。

技术特征：

1.一种船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，其特征在于，

技术总结本发明公开了一种船舶浮筏隔振系统的结构耦合动力学解析建模方法，包括以下步骤：将隔振系统划分为若干子结构，再将子结构解耦为若干子单元；基于子单元结构控制微分方程，建立每个子单元的动力学刚度矩阵；将各个子单元的动力学刚度矩阵转换到统一全局坐标系下并进行组装，获得船体结构和浮筏的全局刚度矩阵；基于船体结构与浮筏连接处的位移连续性条件，建立船舶浮筏隔振系统的整体动力学方程；施加边界条件和外部激励对整体动力学方程进行求解，获得系统的动力学特性。本发明的方法考虑了船体结构和浮筏在振动过程中的弹性变形，并引入动力学刚度矩阵，使得本发明能够精确、快速地预测和分析船舶浮筏隔振系统的动力学行为。技术研发人员：靳国永,李直兵,叶天贵,陈玉坤,田令华,仲赛凤,杨铁军受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29